NB-IoT与eMTC技术对比浅析

1 引言

物联网行业近几年发展迅速，被称为世界信息产业发展的第三次浪潮，低功耗低成本物联网成为了关注的焦点。NB-IoT和eMTC是基于3GPP标准的无线通信技术[1]，采用授权频谱，具有低功耗、广覆盖、低成本、大连接的优势，极其契合未来物联网业务的发展趋势。

本文将主要从NB-IoT和eMTC两种网络的应用场景、物理结构和关键技术三个不同角度出发进行详细对比分析。

2 应用场景

2.1 NB-IoT应用场景

NB-IoT是华为提出的无线物联网解决方案，全新设计了无线物联网络的空口技术，主要面向低速率、深度覆盖、低功耗、大连接、低成本的物联网应用场景。

NB-IoT的特点是超低成本、超远覆盖、超低能耗，可进行速率为100 bit/s～100 kbit/s范围内的低速小包数据业务，目前模组市场价约低于5美元每块，典型应用为智能停车、抄表、路灯、跟踪物流等。下面重点介绍NBIoT在智能停车、抄表两大应用场景的实现形式：

智能停车：目前室内/封闭停车场有较完整的智能停车方案，NB-IoT不占优势，所以NB-IoT智能停车业务主要发力点在于街边室外停车场。通过NB-IoT结合第三方集成平台，实现室外停车场的自动化管理，该方案具有非常明显的优势，总成本低、干扰小、可靠性高[2]。

智能抄表：该业务主要针对城市政务的水、气、电、热四类抄表工作，大大减少了人工上门读表的工作量，实现准确、快速获取用户数据。该业务特点是单用户APRU值不高，但数量惊人。且可以通过管理平台获取相关额外高价值数据，如水质、电力使用峰谷值等。

2.2 eMTC应用场景

eMTC是爱立信提出的无线物联网解决方案。eMTC基于LTE接入技术设计了无线物联网络的软特性，主要面向中低速率、低功耗、大连接、移动性强、具有定位需求的物联网应用场景。

eMTC无线物联网技术可支持语音、移动、定位业务，适合进行速率为100 kbit/s-1 Mbit/s范围内的中速小包数据或语音业务，模组市场价约10美元每块，典型应用为智能电梯、行车、物流跟踪、穿戴设备等。下面重点介绍智能电梯典型场景的应用：

智能电梯：在电梯内安装相应的数据采集设备，通过eMTC网络实时传输推送至物业单位终端、数据管理服务器，可实现实时监控电梯运行情况，具体应用方案如图1所示。

图1 智能电梯解决方案

2.3 对比分析

表1针对NB-IoT与eMTC两种技术的成本、速率、性能等方面进行对比，可看出两者其实不存在对立的关系，而是由于网络性能和应用场景的不同，运营商应选择将两者协同，共同做大产业链，不断拉动消费升级。

表1 NB-IoT与eMTC对比

3 物理结构

3.1 物理资源

NB-IoT全新设计了无线物联网络的空口技术，eMTC基于LTE现有协议框架，主要针对物联网特征进行部分信道优化。

3.1.1 频域结构

NB-IoT上行采用SC-FDMA技术，有两种带宽可选择，分别为3.75 kHz与15 kHz。

（1）3.75 kHz带宽时，功率谱更大，覆盖更好，PRACH可配置3.75 kHz子载波间隔；

（2）15 kHz带宽时，速率高，时延小，PUSCH可配置15 kHz子载波间隔。

NB-IoT的上行链路中，支持Multi-tone和Singletone两种方式，如图2所示。Multi-tone是指具有与LTE相同的15 kHz子载波间隔，0.5 ms时隙和1 ms子帧的SC-FDMA；Single-tone方式的180 kHz在频域上可分配给多用户，子载波支持两种配置，分别为15 kHz和3.75 kHz两种，其中15 kHz与LTE相同，而3.75 kHz方式不同在于使用2 ms时隙，4 ms子帧及40 ms无线帧，但由于OFDM符号变长，其在1个子帧内的RE数与15 kHz时是一样的[5]。

图2 NB-IOT上行传输方案

NB-IoT下行采用OFDM技术，在频域中仅使用1个LTE PRB，即12个15 kHz子载波共计180 kHz，其余时隙、子帧、无线帧与LTE相同，此外当NB-IoT部署在LTE载波内时，NB-IoT PRB和所有其他LTE PRB之间物理信道的正交性在下行链路中被保留。

eMTC频域结构与LTE保持一致，采用OFDM技术，子载波间隔为15 kHz，一个RB在频域上占用12个带宽为15 kHz的子载波或者占用24个带宽为7.5 kHz的子载波。无论在哪种带宽下工作，eMTC的最大调度为6 RB，因此3GPP定义将LTE系统带宽划分成一系列6个RB的窄带。

3.1.2 时域结构

NB-IoT下行帧结构与LTE一致，上行帧结构与LTE不同，分别有两种形式：

（1）3.75 kHz带宽时，1RU为32 ms，1个无线帧为10 ms即10个子帧，1个子帧为1 ms即2个时隙，1个时隙由7个符号组成；

（2）15 kHz带宽时，1RU为8 ms，1个无线帧为10 ms即10个子帧，1个子帧为1 ms即2个时隙，1个时隙由7个符号组成。

eMTC帧结构与LTE一致，详见图3，每个无线帧长10 ms，每个无线帧包含10个子帧；每个子帧里包含2个时隙，每个时隙包含6或7个OFDM符号，循环前缀CP分为两种类型：常规CP和扩展CP。

图3 eMTC帧结构

3.2 物理信道

3.2.1 上行物理信道

NB-IoT上行信道包括NPRACH和NPUSCH，但是没有NPUCCH信道。

由于传统LTE物理随机接入信道（PRACH）使用1.08 MHz的带宽，大于NB-IoT上行链路带宽，因此NPRACH需重新设计，其中在LTE中用来承载上行控制信息的PUCCH在NB-IoT中被删除。NB-PRACH采用Single-tone方式发送，子载波间隔3.75 kHz，其仅支持时频域划分复用，不支持Preamble的码分复用，一个NPRACH前导码由4个符号组组成，每个符号组包括一个CP和5个符号。为了支持更广覆盖，NPRACH前导码可以重传多达128次。

NPUSCH有两种格式。格式1用于携带上行链路数据，并且使用相同于LTE的turbo码。NPUSCH格式1的最大传输块大小是1 000比特，这比LTE中的小得多。格式2作用类似LTE中的PUCCH，用于NPDSCH的HARQ确认，并且使用重复码纠错。NPUSCH格式1可以向UE分配12、6或3个子载波。Single-tone的引入使得资源的分配更具灵活性。为了降低峰值对平均功率比（PAPR），Single-tone方式使用具有符号之间相位连续性的π/2-BITS/SK或π/4-QPSK。

eMTC UE通过PRACH识别，复用传统PRACH的Preamble资源，根据RSRP将eMTC PRACH分为四个覆盖等级。eMTC UE和普通LTE UE的PUCCH资源配置分开，尤其是在同一个PRB中，不禁止普通LTE UE和eMTC UE复用PUCCH资源。eMTC PUCCH支持重复和镜像跳频技术，信道设计继续沿用LTE模式，eMTC主要通过该技术来提升覆盖。eMTC UE和普通LTE UE共享PUSCH资源。

3.2.2 下行物理信道

NB-IoT有5个下行物理信道：窄带主同步信道（NPSS）、窄带辅同步信道（NSSS）、窄带物理广播信道（NPBCH）、窄带下行物理控制信道（NPDCCH）、窄带下行物理共享信道（NPDSCH），如图4所示，与LTE不同，这些NB-IoT物理信道和信号在时间上复用。

Inband部署时，LTE PDCCH和CRE不能使用。

图4 NB-IoT下行物理信道设计

eMTC UE不接收传统的PDCCH、PCFICH和PHICH下行信道，其他物理信道复用传统LTE的物理信道。eMTC基于EPDCCH新增设计了MPDCCH信道，支持跳频和重复技术，主要用于发送eMTC UE的PDSCH和PUSCH信道的调度指示以及公共消息的指示，比如寻呼、RAR响应、上行ACK反馈。

4 关键技术

4.1 广覆盖

NB-IoT主要通过功率谱密度抬升和重复技术，相对LTE覆盖增强20 dB（MCL=164 dB），如图5所示。NB-IoT通过上下行物理信道格式、调制规范的重新定义，使得上下行控制信息与业务信息可以在相对LTE更窄的带宽中发送 ，相同发射功率下的PSD（Power Spectrum Density）增益更大，降低了接收方的解调要求；同时引入重复发送的编码方式，通过重复提升信道条件恶劣时的传输可靠性。

图5 NB-IoT覆盖增强的2种方式

eMTC主要通过重复和跳频技术，相对LTE覆盖增强15 dB（MCL=157.7）[4]。其中重复技术配合MCS选阶优化，实现覆盖增强10 dB+，具体解决方案整体思路如下：

（1）为eMTC用户不同接入等级配置初始的MCS和重复次数；

（2）对测量的SINR进行滤波，并考虑ACK/NACK外环调整，得到选阶SINR；

（3）计算选阶SINR与MCS0的差距DeltaSinr，基于频谱效率最优，查表得到重复次数和MCS；

重复技术提升覆盖的增益主要来源于时域扩展对抗信道快衰落，同时通过时域合并获取有效信号相比噪声的合并增益。

3GPP协议规定eMTC可在20 MHz带宽内跳频，可实现提升eMTC覆盖能力1～2 dB：

（1）下行MPDCCH/PDSCH在2个或者4个NB上跳频（小区广播信令指示），跳频间隔为小区级参数；

（2）跳频的时候，可根据参数配置每隔m个子帧跳频一次；

4.2 大连接

NB-IoT通过在上行链路和下行链路中仅使用一个PRB来支持大规模的IoT容量。NB-IOT容量评估方法，首先需要从业务模型出发计算单用户单位时间业务量和单个用户的业务量，根据不同覆盖等级的重发次数，分别分析上下行开销，其次分别计算业务信容量、寻呼容量、随机接入容量，最后综合考虑不同容量结果的受限结果即为极限容量，如图6所示。

小区容量= MIN（NPRACH容量，NPUSCH容量，NPDSCH&NPDCCH容量）

图6 NB-IoT容量估算

影响eMTC容量的因素包括两方面：

(1)业务模型：发送和接收越频繁，包大小越大，则单次连接消耗的RB更多，单位时间内支持的用户数越小；

(2)覆盖增强等级：覆盖等级越大，重复次数越多，则单次连接消耗的RB更多，单位时间内支持的用户数越小。

每次数据发送占用的上行RB数=每条上行信令占用的上行RB资源＊上行信令总条数+每条下行信令消耗的上行RB资源＊下行信令总条数+上行数据占用的上行RB资源；

每次数据发送占用的下行RB数=每条下行信令占用的下行RB资源＊下行信令总条数+每条上行信令消耗的下行RB资源＊上行信令总条数+上行数据占用的下行RB资源；

上行用户数=单位周期内上行总RB数＊（1-公共开销）＊0.2/每次数据发送占用的上行RB数；

下行用户数=单位周期内下行总RB数＊（1-公共开销）＊0.7/每次数据发送占用的下行RB数；

每1.4 MHz窄带支持的eMTC用户数=Min（上行用户数，下行用户数）；

按每1小时发送一包100字节上行数据话务模型计算，在不考虑重复的情况下，基于RB数计算eMTC TDD支持用户数（上行受限）：

S＊TTI＊带宽＊扣除开销＊上行占比/每包消耗=3 600 ＊1 000 ＊ 6 ＊ 0.7(剔除PRACH和SRS开销) ＊ 0.2 / 34 =89 k

如果考虑不同覆盖等级（不同重复次数）比例，因为重复后每次数据发送消耗的RB数会按倍数增加，因此支持的用户数会相应减小，如表2所示。

表2 eMTC容量估算

4.3 低功耗

PSM技术可极大降低非实时业务类终端功耗。[3]如果设备支持PSM（Power Saving Mode），在附着或TAU（Tracking Area Update）过程中，向网络申请一个激活定时器值。当设备从连接状态转移到空闲状态后，该定时器开始运行。当定时器终止，设备进入省电模式。

进入省电模式后设备不再接收寻呼消息，看起来设备和网络失联，但设备仍然注册在网络中。UE进入PSM模式后，只有在UE需要发送MO数据，或者周期TAU/RAU定时器超时后需要执行周期TAU/RAU时，才会退出PSM模式，TAU最大周期为310小时。

PSM技术需要核心网升级支持PSM功能，其优点是可进行长时间睡眠，缺点是对MT业务响应不及时，主要应用于表类等对下行实时性要求不高的业务。

对于极低频次数据发送业务的发送终端，数据发送完成后迅速进入极低功耗的PSM态，期间不监听网络，以达到UE节电的目的，如图7所示。

图7 PSM技术信令工作流程示意图

eDRX技术兼顾业务及时响应能力和节电能力，UE在每个eDRX周期只在寻呼窗口内内监听PDCCH，其它时间处于深度睡眠。

空闲态eDRX（Extended DRX）通过延长Idle态DRX周期减少UE侦听网络的信令处理（最大可到43.69 min），从而达到UE节电的目的，示意图见图8。连接态eDRX将目前的DRX周期从2 560 ms扩展到5.12 s和10.24 s，eNB根据UE能力给UE配置长周期，连接态eDRX涉及UE、基站，不涉及核心网需要核心网升级支持空闲态eDRX功能，MME根据业务类型配置周期。

图8 eDRX技术工作流程示意图

5 小结

本文从NB-IoT和eMTC两种网络的应用场景、物理结构和关键技术3个不同角度出发，详细对比了两者的业务特点、物理资源、网络容量、部署优势等方面，验证了eMTC与NB-IoT两张网络其实是互补的关系。

在某些具有移动、定位、一定实时性的物联网需求，但同时对于功耗、成本非常敏感的场景，NB-IoT在现有情况下暂不能满足，其他广域网络覆盖技术因为成本和功耗问题也无法形成替代。尤其是电梯、物流、车辆定位等大量场景对此类连接技术有刚性需求，同为3GPPR 13版本冻结的eMTC技术恰恰补齐了这一短板，同时eMTC支持VoLTE语音功能，使其在一些应急场景下的作用凸显，与NB-IoT形成了明显互补。因此，运营商在部署物联网时，应该因地制宜，充分结合两者的技术特点及业务优势，才能发挥出这两种技术的最大价值。